Khóa luận Tìm hiểu khả năng hấp phụ sắt của vật liệu hấp phụ chế tạo từ rơm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ------------------------------- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Giáo viên hƣớng dẫn : ThS. Phạm Thị Minh Thúy Sinh viên : Trƣơng Thế Hoàng HẢI PHÒNG - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ----------------------------------- TÌM HIỂU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ SẮT CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ RƠM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Giáo viên hƣớng dẫn : ThS. Phạm Thị Minh Thúy Sinh viên : Trƣơng Thế Hoàng HẢI PHÒNG - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG -------------------------------------- NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Trương Thế Hoàng Mã SV: 120936 Lớp : MT1201 Ngành: Kỹ thuật môi trường Tên đề tài: “Tìm hiểu khả năng hấp phụ sắt của vật liệu hấp phụ chế tạo từ rơm” NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ). - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ rơm - So sánh khả năng hấp phụ sắt của rơm khô và vật liệu hấp phụ - Tìm các yếu tố tối ưu cho quá trình hấp phụ sắt của vật liệu hấp phụ .. .. 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán. Các số liệu thực nghiệm liên quan đến quá trình thí nghiệm như: pH, khối lượng vật liệu, thời gian hấp phụ, tải trọng hấp phụ, giải hấp... .. .. .. 3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp. Phòng thí nghiệm F203 Trường Đại học Dân lập Hải Phòng .. .. .. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất: Họ và tên: Phạm Thị Minh Thúy Học hàm, học vị: Thạc sĩ Cơ quan công tác: Trường Đại học Dân lập Hải Phòng Nội dung hướng dẫn: Toàn bộ khóa luận . Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai: Họ và tên:............................................................................................................ Học hàm, học vị:................................................................................................ Cơ quan công tác:.............................................................................................. Nội dung hướng dẫn:......................................................................................... Đề tài tốt nghiệp được giao ngày 28 tháng 3 năm 2013 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 08 tháng 7 năm 2013 Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Người hướng dẫn Trương Thế Hoàng ThS. Phạm Thị Minh Thúy Hải Phòng, ngày 08 tháng 7 năm 2013 HIỆU TRƢỞNG GS.TS.NGƢT Trần Hữu Nghị PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1.Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp: - Chịu khó học hỏi, tích cực làm thực nghiệm để thu được những kết quả đáng tin cậy. - Ý thức được trách nhiệm của bản thân đối với công việc được giao - Bố trí thời gian hợp lý cho từng công việc cụ thể - Biết cách thực hiện một khóa luận tốt nghiệp, cẩn thận trong công việc 2. Đánh giá chất lƣợng của khóa luận (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T. T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu): Đạt yêu cầu của một khóa luận tốt nghiệp .. .. .. 3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn (ghi cả số và chữ): .. .. .. Hải Phòng, ngày 08 tháng 7 năm 2013 Cán bộ hướng dẫn (họ tên và chữ ký) Th.s Phạm Thị Minh Thúy PHIẾU NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN 1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài. 2. Cho điểm của cán bộ phản biện (ghi cả số và chữ). Hải Phòng, ngày tháng năm 2013 LỜI CẢM ƠN ờ Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Trường Đại học Dân lập Hải Phòng đã tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Môi trường, những người đã trực tiếp giảng dạy, truyền đạt lại cho em những kiến thức bổ trợ vô cùng có ích trong những năm học vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn cô giáo ThS. Phạm Thị Minh Thúy, người trực tiếp hướng dẫn đề tài. Trong quá trình làm luận văn, cô đã tận tình hướng dẫn em thực hiện đề tài, giúp em giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình làm luận văn và hoàn thành luận văn đúng định hướng ban đầu. ậ . Hải Phòng, ngày 08 tháng 7 năm 2013 Sinh viên Trương Thế Hoàng DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Giá trị giới hạn nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp ................................................................................................. 12 Bảng 1.2. Hệ số Kq của nguồn tiếp nhận nước thải là sông, suối, kênh, mương, khe, rạch ............................................................................................. 13 Bảng 1.3. Hệ số Kq của hồ, ao, đầm ................................................................ 14 Bảng 1.4. Thành phần hoá học của rơm ........................................................ 40 Bảng 2.1. Kết quả xác định đường chuẩn sắt ................................................. 43 Bảng 3.1. Các thông số hấp phụ của nguyên liệu và các vật liệu hấp phụ ... 47 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ sắt .................... 47 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến quá trình hấp phụ sắt ... 49 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ sắt .............................. 50 Bảng 3.5. Kết quả khảo sát sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ vào nồng độ cân bằng của sắt ...................................................................................................... 51 Bảng 3.6. Kết quả hấp phụ Fe3+ bằng vật liệu hấp phụ ................................. 53 Bảng 3.7. Kết quả giải hấp vật liệu hấp phụ bằng HNO3 1M ........................ 53 Bảng 3.8. Kết quả tái sinh vật liệu hấp phụ .................................................... 53 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Phương trình đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ...................... 33 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của Cf /q vào Cf ........................................................... 33 Hình 1.3. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich ........................................... 34 Hình 1.4. Sự phụ thuộc lgq vào lgCf ................................................................. 35 Hình 2.1. Phương trình đường chuẩn sắt ........................................................ 44 Hình 3.1. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ sắt ...................... 48 Hình 3.2. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến quá trình hấp phụ sắt ..... 49 Hình 3.3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ sắt ................................ 50 Hình 3.4. Sự phụ thuộc của tải trọng hấp phụ q vào nồng độ cân bằng Cf của Fe 3+ trong dung dịch .......................................................................................... 52 Hình 3.5. Sự phụ thuộc của Cf/q vào nồng độ cân bằng Cf ............................. 52 Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trương Thế Hoàng – MT1201 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...............................................................................................4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................5 1.1. Nƣớc và sự ô nhiễm nguồn nƣớc bởi các kim loại nặng. .......................... 5 1.1.1. Vai trò của nước. ........................................................................................ 5 1.1.2. Tình trạng ô nhiễm nước do kim loại nặng. ............................................. 5 1.1.3. Một số nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng ................................................. 7 1.1.3.1. Hoạt động khai thác mỏ ........................................................................... 7 1.1.3.2. Công nghiệp mạ ....................................................................................... 8 1.1.3.3. Công nghiệp sản xuất các hợp chất vô cơ ............................................... 9 1.1.3.4. Quá trình sản xuất sơn, mực và thuốc nhuộm ......................................... 9 1.1.3.5. Công nghiệp luyện kim ............................................................................. 9 1.1.4. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40: 2011/BTNMT) .................................................................................................... 10 1.1.4.1. Phạm vi điều chỉnh ................................................................................. 10 1.1.4.2. Đối tượng áp dụng ................................................................................. 10 1.1.4.3. Giải thích thuật ngữ ............................................................................... 10 1.1.4.4. Quy định kỹ thuật ................................................................................... 10 1.2. Ảnh hƣởng của kim loại nặng đến môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời 14 1.2.1. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người và môi trường14 1.2.2. Ảnh hưởng của một số kim loại nặng đến môi trường và sức khỏe con người ................................................................................................................... 15 1.2.2.1. Ảnh hưởng của Chì................................................................................. 15 1.2.2.2. Ảnh hưởng của Crom ............................................................................. 17 1.2.2.3. Ảnh hưởng của Cadimium ...................................................................... 18 1.2.2.4. Ảnh hưởng của Kẽm ............................................................................... 19 1.2.2.5. Ảnh hưởng của Đồng ............................................................................. 21 1.2.2.6. Ảnh hưởng của Mangan ......................................................................... 22 Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trương Thế Hoàng – MT1201 2 1.2.2.7. Ảnh hưởng của Niken ............................................................................. 23 1.2.2.8. Ảnh hưởng của sắt24 1.3. Một số phƣơng pháp xử lý nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng ........ 26 1.3.1. Phương pháp kết tủa ................................................................................ 26 1.3.2. Phương pháp trao đổi ion ........................................................................ 27 1.3.3. Phương pháp điện hóa ............................................................................. 27 1.3.4. Phương pháp oxy hóa khử ...................................................................... 27 1.3.5. Phương pháp sinh học ............................................................................. 27 1.3.6. Phương phấp hấp phụ ............................................................................. 27 1.3.6.1. Hiện tượng hấp phụ ................................................................................ 27 1.3.6.2. Hấp phụ trong môi trường nước. ........................................................... 29 1.3.6.3. Động học hấp phụ. ................................................................................. 29 1.3.6.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ. ................. 30 1.4. Một số phƣơng pháp định lƣợng kim loại. .............................................. 35 1.4.1. Phương pháp thể tích ............................................................................... 35 1.4.2. Phương pháp trắc quang ......................................................................... 36 1.4.2.1. Nguyên tắc .............................................................................................. 36 1.4.2.2. Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang ..................... 37 1.5. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ. .................................................................. 38 1.5.1. Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp phụ ............................................................................................................... 38 1.5.2. Giới thiệu về rơm ...................................................................................... 39 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM ........................................................42 2.1. Dụng cụ và hóa chất ................................................................................... 42 2.1.1. Dụng cụ ..................................................................................................... 42 2.1.2. Hóa chất .................................................................................................... 42 2.1.3. Chuẩn bị dung dịch thí nghiệm ............................................................... 42 2.2. Phƣơng pháp xác định sắt ......................................................................... 43 2.2.1. Nguyên tắc ................................................................................................ 43 Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trương Thế Hoàng – MT1201 3 2.2.2. Trình tự phân tích .................................................................................... 43 2.3. Xây dựng đƣờng chuẩn của sắt ................................................................. 43 2.4. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ rơm ............................................................... 44 2.5. Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và vật liệu hấp phụ. ........ 44 2.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ. ..................................................................................................................... 45 2.6.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ. .............................................. 45 2.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến quá trình hấp phụ ... 45 2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ ............................. 45 2.6.4. Sự phụ thuộc tải trọng vào nồng độ cân bằng ........................................ 46 2.6.5. Khảo sát khả năng giải hấp và tái sinh của vật liệu hấp phụ ................ 46 2.6.5.1. Khảo sát khả năng giải hấp ................................................................... 46 2.6.5.2. Khảo sát khả năng tái sinh ..................................................................... 46 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................47 3.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và vật liệu hấp phụ ......... 47 3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình hấp phụ sắt .............. 47 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của khối lƣợng vật liệu đến quá trình hấp phụ sắt ................................................................................................................ 47 3.4. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH đến quá trình hấp phụ sắt .......... 49 3.5. Khảo sát sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ vào nồng độ cân bằng của sắt 51 3.6. Kết quả khảo sát khả năng giải hấp, tái sinh vật liệu hấp phụ .............. 53 KẾT LUẬN .........................................................................................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................55 Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trương Thế Hoàng – MT1201 4 MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường nước hiện nay là vấn đề được toàn xã hội quan tâm. Ở Việt Nam đang tồn tại một thực trạng đó là nước thải ở hầu hết các cơ sở sản xuất chỉ được xử lý sơ bộ thậm chí thải trực tiếp ra môi trường. Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Vì vậy, bên cạnh việc nâng cao ý thức của con người, xiết chặt công tác quản lí môi trường thì việc tìm ra phương pháp nhằm loại bỏ các ion kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ độc hại ra khỏi môi trường nước có ý nghĩa hết sức to lớn. Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion,), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học,.Một trong những phương pháp đang được quan tâm hiện nay là tận dụng các phế phẩm nông nghiệp, công nghiệp để chế tạo vật liệu hấp phụ các ion kim loại. Phương pháp hấp phụ được áp dụng rộng rãi và đã mang lại hiệu quả cao. Ưu điểm của phương pháp này là đi từ nguyên liệu rẻ tiền, qui trình đơn giản và không đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại. Hiện nay, có rất nhiều chất hấp phụ rẻ tiền, dễ kiếm (như: bã mía, vỏ lạc, lõi ngô, xơ dừa, vỏ trấu, rơm) được sử dụng để hấp phụ các ion kim loại nặng trong môi trường nước. Rơm rạ (phụ phẩm của ngành nông nghiệp) được đánh giá là tiềm năng để chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý ô nhiễm môi trường. Chính vì vậy, trong luận văn này em chọn đề tài: “Tìm hiểu khả năng hấp phụ sắt của vật liệu hấp phụ chế tạo từ rơm”. Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trương Thế Hoàng – MT1201 5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Nƣớc và sự ô nhiễm nguồn nƣớc bởi các kim loại nặng. 1.1.1. Vai trò của nước. Nước là tài nguyên hết sức quan trọng đối với sự sống của con người và thiên nhiên, tham gia thường xuyên vào các quá trình sinh hóa trong cơ thể sống. Phần lớn của các phản ứng hóa học liên quan đến sự trao đổi chất trong cơ thể đều có dung môi là nước. Nhờ có tính chất này mà nước đã trở thành tác nhân mang sự sống đến cho trái đất. Nước còn là chất mang năng lượng (hải triều, thuỷ năng), chất mang vật liệu và tác nhân điều hoà khí hậu, thực hiện các chu trình tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. Có thể nói sự sống của con người và mọi sinh vật trên trái đất phụ thuộc vào nước. Tài nguyên nước ở trên thế giới theo tính toán hiện nay là 1,39 tỷ km3, tập trung trong thuỷ quyển 97,2% (1,35 tỷ km3), còn lại trong khí quyển và thạch quyển. 94% lượng nước là nước mặn, 2% là nước ngọt tập trung trong băng ở hai cực, 0,6% là nước ngầm, còn lại là nước sông và hồ. Lượng nước trong khí quyển khoảng 0,001%, trong sinh quyển 0,002%, trong sông suối 0,00007% tổng lượng nước trên trái đất. Lượng nước ngọt con người sử dụng xuất phát từ nước mưa (lượng mưa trên trái đất 105.000km3/năm. Lượng nước con người sử dụng trong một năm khoảng 35.000 km3, trong đó 8% cho sinh hoạt, 23% cho công nghiệp và 63% cho hoạt động nông nghiệp). 1.1.2. Tình trạng ô nhiễm nước do kim loại nặng. Hiện nay, do sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ dẫn tới nguồn nước đang bị ô nhiễm bởi các nguồn khác nhau và ảnh hưởng trực tiếp tới môi trường, sức khỏe con người. Đặc biệt vấn đề ô nhiễm kim loại nặng đang là một trong những vấn đề cấp thiết, gây ảnh hưởng lớn tới đời sống, sức khỏe và sinh hoạt của người dân. Hiện tượng nước bị ô nhiễm kim loại nặng thường gặp trong các lưu vực nước gần các khu công nghiệp, các thành phố lớn và khu vực khai thác khoáng sản. Ô nhiễm kim loại nặng biểu Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng Sinh viên: Trương Thế Hoàng – MT1201 6 hiện ở nồng độ cao của các kim loại nặng trong nước. Trong một số trường hợp, xuất hiện hiện tượng chết hàng loạt cá và thuỷ sinh vật. Ô nhiễm nước bởi kim loại nặng có tác động tiêu cực tới môi trường sống của sinh vật và con người. Kim loại nặng tích luỹ theo chuỗi thức ăn thâm nhập vào cơ thể người. Lịch sử đã ghi nhận những thảm họa môi trường do sự ô nhiễm bởi các kim loại nặng mà con người phải gánh chịu. Căn bệnh ItaiItai của người dân sống ở khu vực sông Tisu (1912 - 1926) do bị nhiễm độc Cadimium. Thảm họa Minatama xảy ra ở thành phố Minatama (thuộc tỉnh Kumamoto, phía tây đảo Kyushu, cực nam Nhật Bản) rất nhiều người dân ở đây bị mắc bệnh với biểu hiện chân tay bị liệt hoặc run lẩy bẩy, tai điếc, mắt mờ, nói lắp bắp, rú lên vì đau đớn và trải qua những cơn co thắt, 106 công dân của Minamata đã chết trong thời gian một thập kỷ và nhiều nạn nhân khác trở nên mù, điếc h